RSS
وبینارهای شاخه فیزیک آماری انجمن فیزیک ایران چهارمین گردهمایی یک‌روزه بانوان در فیزیک ایران همایش مجازی آشنایی با گرایش علوم و اطلاعات کوانتومی هشتمین کنفرانس فیزیک ریاضی ایران کنفرانس فیزیک ایران ۱۴۰۳
برخورد دهنده‌ها طي آزمايش‌هاي جداگانه‌اي، كوارك سَر را در فرآيندهاي منحصر به فردي بدون پاد ذره‌اش كه شريك هميشگي‌اش است، مشاهده كرده‌اند. اين رويداد مي‌تواند بينشي به سوي فيزيك نوين، همچون مجموعه‌هاي اضافي از كوارك‌ها ايجاد كند.
ذرات بنيادي درون اتم به نام كوارك‌ها از اجزاي اصلي مدل استاندارد در فيزيك ذرات به شمار مي‌روند. پروتون‌ها و نوترون‌ها از سبك‌ترين كوارك‌ها (بالا (up) و پايين (down)) ساخته شده‌اند، اما كوارك‌هاي ناپايدار شگفت (strange)، افسون (charm)، تَه (bottom) و سَر (top) را نيز مي‌توان در شتاب‌دهنده‌هاي ذرات انرژي بالا توليد كرد. كوارك اسرارآميز سَر ، سنگين‌ترين ذره بنيادي است و وزن آن به بزرگي وزن هسته طلا است. اين كوارك در برخورد دهنده تواترونِ آزمايشگاه فرمي در نزديكي شيكاگو و در برخورد دهنده‌ي هادروني بزرگ سِرن در ژنو مطالعه شده است. اين كوارك اغلب همراه با پاد ذره‌اش (پاد سَر) از طريق برهم كنش قوي توليد مي‌شود، اما در سال 2009 نشان داده شد كه اين كوارك از طريق برهم كنش ضعيف، به تنهايي ظاهر مي‌شود [1,2]. دو مقاله جديد در فيزيكال ريويو لترز [3,4]، اولين مشاهدات از تك كوارك سَر در واكنش‌ها و يا «كانال» هاي الكتروضعيفي كه كمتر ديده مي‌شوند را گزارش مي‌كنند. نتايج در حيطه‌ي پيشگوييهاي مدل استاندارد هستند، اما مطالعات بيشتر از فركانس نسبي اين كانال‌هاي كمياب، ممكن است فيزيك جديدي همچون يك نسل پنهان از كوارك‌ها يا جفت شدگي‌هاي غير منتظره از كوارك- سَر را آشكار كند.
اگرچه كوارك سَر در مدل استاندارد به عنوان شريك كوارك تَه قرار مي‌گيرد، اما كوارك سَر غير عادي به نظر مي‌رسد چون جرم بسيار بزرگ 173 گيگا الكترون ولت دارد كه حدود 40 برابر جرم كوارك تَه است. جرم كوارك سَر نزديك به جرم بوزون‌هاي W و Z است كه حاملان نيروي برهمكنش الكتروضعيف هستند و همچنين بوزون هيگز كه اخيراً كشف شد. از اينجا اين تصور ايجاد مي‌شود كه كوارك سر در ايجاد شكست تقارن الكتروضعيف كه باعث ايجاد جرم در ذرات بدون جرم مي‌شود، نقش داشته باشد.
يكي از روش‌هاي مطالعه‌ي كوارك سَر اين است كه به چگونگي توليد اين ذره در برخورد ذرات دقت كنيم. نظريه، پيشگويي مي‌كند كه برهمكنشهاي الكتروضعيف، كوارك سَر را در سه كانال مجزا توليد مي‌كنند (شكل 1 را ببينيد). متداول‌ترين كانال -تنها كانالي كه قبلا منزوي بوده است- كانال t است كه در آن يك كوارك تَه از طريق تبادل يك بوزون W با كوارك ديگر به يك كوارك سَر تبديل مي‌شود. در كانال كمياب‌تر s، يك كوارك و پاد كوارك از طريق بوزون W واسطه به كوارك‌هاي سَر و پاد تَه تبديل مي‌شوند. آخرين فرآيندي كه در آن كوارك سَر به تنهايي توليد مي‌شود، كانال tW است. نام آن به دليل توليد يك كوارك سَر و بوزون W از برهمكنش يك كوارك تَه با گلوئون است.
آهنگ رخداد در اين سه كانال متفاوت، توسط عناصر ماتريس كابيبو- كوباياشي-ماسكوا (CKM) تعيين مي‌شود. اين ماتريس، برهمكنشهاي الكتروضعيف تمامي كوارك‌ها را به يك‌ديگر ارتباط مي‌دهد [5,6]. ماتريس CKM در مدل استاندارد، 3×3 است كه براي سه نسل (دوتايي) كوارك‌ها، يك سطر و ستون مربوط به يك دوتايي كوارك است. همان‌طور كه در شكل 1 ديده مي‌شود، تمامي كانال‌هاي تك كوارك سَر ،شامل برهمكنش ميان يك كوارك سَر، يك كوارك تَه و يك بوزون W مي‌شوند. شدت اين برهمكنش و يا راس Wtb توسط عنصر Vtb در ماتريس CKM داده مي‌شود. تخمين‌هاي كنوني بر اساس يك برازش سراسري از تمامي داده‌هاي در دسترس در چارچوب مدل استاندارد، Vtb>0.99 را پيشنهاد مي‌كنند، اما با اين فرض است كه ماتريس CKM كامل است و كوارك ديگري وجود ندارد. نسل چهارمي از كوارك‌ها كه تاكنون كشف نشده‌است، باعث بزرگ شدن ابعاد ماتريس CKMمي‌شود و احتمالاً مقدار Vtb را تغيير مي‌دهد. مشاهدات از تك كوارك سَر زمينه‌اي براي اندازه‌گيري‌هاي مستقيم از Vtb و بنابراين سنجش ساختار اضافي در ماتريس CKM را فراهم مي‌كند و يا شواهدي از فرآيندهاي غير قابل انتظار شامل كوارك‌هاي سَر را ارائه مي‌دهد [7].
توليد تك كوارك سَر، يك فرآيند بسيار كمياب است. چنين فرآيندي در تواترون حدود يك از 1010 برخورد پروتون- پاد پروتون در انرژي 2 ترا الكترون ولت (TeV) رخ مي‌دهد. هنگامي‌كه كوارك سَر توليد مي‌شود، سريعاً به يك كوارك تَه و يك بوزون W واپاشي مي‌كند. حدود 20 درصد مواقع، بوزون W به يك الكترون و يا ميون پر انرژي و يك نوترينو واپاشي مي‌كند. الكترون يا ميون اثر قابل توجهي را در آشكارساز به جا مي‌گذارند، اما نوترينو با فرار از ابزار رديابي، آشكار نمي‌شود و منجر به عدم تعادل مشهودي در تكانه كل عرضي بر راستاي باريكه‌هاي برخورد كننده مي‌شود. كوارك تَه منجر به يك افشانه‌ي موازي شده يا «جت» از ذرات در آشكارساز مي‌شود كه شامل يك ذره با عمر طولاني )يك هادرون (B مي‌شوند و نوعاً در فاصله چند ميلي‌متر از نقطه‌ي برخورد اصلي واپاشي مي‌كند. آشكارسازهاي سيليكوني كه در فاصله‌ي چند سانتي‌متر از خط باريكه قرار گرفته‌اند، اين «جت‌هاي b» را شناسايي مي‌كنند و يا «برچسب» مي‌زنند و آنها را از جت‌هاي ديگر كه به طور متداول‌تر توسط واپاشي‌هاي كوارك‌هاي سبك و گلوئون‌ها توليد مي‌شوند، متمايز مي‌كنند. پيش از اين در تواترون توانسته‌اند فرآيند كانال t را در نمونه رخداد سَر-كوارك آنها ايزوله كنند [1,2]. اگرچه تواترون ديگر كار نمي‌كند اما دانشمندان از آزمايش‌هاي CDF و DO ي آن با تركيب برخي از اطلاعات گذشته‌ي آنها، به جستجوي كانال كمياب‌تر s مي‌پردازند.
انتخاب رخدادهايي با الكترون‌ها يا ميون‌هاي پر انرژي، تكانه عرضي داراي عدم تعادل و جت‌هاي با برچسب b به پژوهش‌گران CDF و DO اجازه داد كه جستجويشان براي كانال s را به چند ده هزار رخداد محدود كنند. اما بيش از %90 از اين رخدادهاي توليد كوارك سَر ناشي از برهمكنشهاي قوي با دو كوارك سَر يا فرآيند شناخته شده كانال t با تك كوارك سَر هستند. تك رخداد خاصي با ويژگي‌هايي با توان تفكيك به اندازه كافي قدرتمند وجود ندارد كه بتواند به صورت آشكارا تك كوارك سَر در كانال s را از اين پس زمينه‌ها متمايز كند. بنابراين CDF و DO ، درخت‌هاي تصميم توسعه يافته Decision Trees) (Boostedرا به كار گرفتند كه يك تكنيك تحليل چند متغيره بر اساس روش‌هاي يادگيري ماشيني براي استخراج هر چه بيشتر از اطلاعات در دسترس براي يك رخداد است. اين تكنيك به شبيه سازي كامپيوتري مونت كارلو از برخورد ذرات پرانرژي متكي است و پاسخ آشكارساز مربوطه به سنجش اينكه تا چه مقدار تركيب‌هاي خاصي از متغيرها (شبيه به انرژي كل رخداد و زواياي جت‌هاي مختلف) مي‌توانند سيگنال را از چشمه‌هاي پس زمينه عمده تشخيص دهند. اين شبيه سازي‌ها به صورت وسيع با استفاده از نمونه‌هاي كنترل داده بررسي شدند و كيفيت آنها براي كار بسياري از گروه‌هاي نظري و پديده شناسي كه مشغول مدل‌سازي فيزيك در اين انرژي‌ها هستند حتمي است . هر يك از CDF يا DO با استفاده از تحليل BDT قادر بودند نشانه‌هايي براي توليد تك كوارك سَر در كانال s نمايش دهند [8]، اما تنها با تركيب مجموعه داده‌ها شان مي‌توانند به حساسيت كافي «پنج سيگما» برسند كه آستانه مشاهده و استاندارد طلايي در فيزيك انرژي بالا براي استخراج پديده‌هاي جديد بدون هيچ گونه شك مستدل است. آهنگ بدست آمده يا اندازه گيري سطح مقطع 1.29+0.26−0.24 پيكو بارن (pb) [3] در توافق خوبي با آخرين محاسبات نظري در چارچوب مدل استاندارد با 1.05±0.06 پيكو بارن است .[9]
فرآيند كانال s توسط برهم كنش يك كوارك و يك پاد كوارك ايجاد مي‌شود. از آنجا كه LHC پروتون‌ها را به پروتون‌ها (نه پاد پروتون) برخورد مي‌دهد، بنابراين پاد كوارك‌هاي با تكانه بالا مشابه تواترون ندارد و احتمال كمي براي مشاهده كانال s دارد. با اين حال برخوردهاي با انرژي بالاتر در ال اچ سي ( TeV8 در 2012 ( يك مزيت قطعي براي فرآيند كانال tw مي‌دهد. هنگامي‌كه بوزون w به يك الكترون يا ميون واپاشي مي‌كند، اين فرآيند منجر به رخدادهايي با دو الكترون و يا ميون پر انرژي، عدم تعادل تكانه و يك جت b كه متاسفانه تقريبا همان اثر مشابه توليد جفت كوارك‌هاي سَر است، مي‌شود. CMSبا به‌كار بردن تكنيك‌هاي تحليل بر پايه BDT، يك سيگنال به اندازه كافي قوي از بخش داده‌هاي برخورد 8 TeV كه در سال 2012 بدست آمده بود را استخراج كرد و مشاهده فرآيند tw را گزارش كرد. اندازه‌گيري سطح مقطع متناظر، 23.4±5.4 پيكوبارن است [4]. كه در توافق با پيشگوييهاي مدل استاندارد، 22.2±1.5 پيكوبارن است [10] و يك كران پايين |Vtb|>0.78 با حد اطمينان %95 مي‌دهد. اطلس (ATLAS) كه در ال اچ سي واقع است نيز نشانه براي توليد tw را گزارش كرد اما تاكنون در حد اطمينان پايين‌تر قرار دارد [11].
هر يك از اين تحليل‌ها، يك كار برجسته تجربي را نمايش مي‌دهند كه يك سيگنال بسيار كوچك را از يك پس زمينه تقريبا غالب استخراج مي‌كند. آزمايش‌هاي تواترون با استفاده ار تكنيك‌هاي تحليل چند متغيره طي سال‌هاي زياد در مشاهده تك كوارك سَر در كانال t [1,2] ، همچنين تحقيق براي بوزون هيگز باعث توسعه آنها شد. از شروع داده‌گيري، LHC نيز تكنيك‌هاي مشابه را به كار برده است كه در مشاهده tw به ثمر نشستند. با بسته شدن تواترون در 2011، چشم‌ها به LHC دوخته شده و منتظر اولين نتايج از اجراي 13 TeV كه آغاز آن در 2015 است، هستيم. اين اجرا، اجازه ي برنامه وسيع مطالعاتي براي تك كوارك سَر، موشكافي بيشتر پيشگوييهاي مدل استاندارد و شايد اولين نگاه به فرآيندهاي بسيار كمياب‌تر همچون توليد همزمان يك كوارك سَر و يك Z يا بوزون هيگز را مي‌دهد. تحليل‌هاي چالش‌انگيز بيشتري مورد نياز است اما اين مطالعات مطمئناً اطلاعات زيادي در مورد اين ذره بنيادي اسرار آميز خواهند داشت.
مراجع:
1. V. M. Abazov et al. (D0 Collaboration), “Observation of Single Top-Quark Production”, Phys. Rev. Lett. 103, 092001 (2009).
2. T. Aaltonen et al. (CDF Collaboration), “Observation of Electroweak Single Top-Quark Production,” Phys. Rev. Lett 103, 092002 (2009).
3. T. Aaltonen et al. ((CDF Collaboration)†), “Observation of s-Channel Production of Single Top Quarks at the Tevatron,”Phys. Rev. Lett. 112, 231803 (2014).
4. S. Chatrchyan et al. ((CMS Collaboration)), “Observation of the Associated Production of a Single Top Quark -and a W Boson in pp Collisions at s=8 TeV,” Phys. Rev. Lett. 112, 231802 (2014).
5. N. Cabibbo, “Unitary Symmetry and Leptonic Decays,” Phys. Rev. Lett. 10, 531 (1963).
6. M. Kobayashi and T. Maskawa, “CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction,” Prog. Theor. Phys.49, 652 (1973).
7. For a review, see T.M.P. Tait, and C.-P. Yuan, “Single Top Quark Production as a Window to Physics Beyond the Standard Model,” Phys. Rev. D 63, 014018 (2000).
8. T. Aaltonen et al. (CDF Collaboration), “Evidence for s-channel Single-Top-Quark Production in Events with One Charged Lepton and Two Jets at CDF,” Phys. Rev. Lett. (to be published); arXiv:1402.0484; T. Aaltonen et al. (CDF Collaboration), “Search for s-channel Single Top Quark Production in the Missing Energy Plus Jets Sample using the Full CDF II Data Set,” arXiv:1402.3756; V. M. Abazov et al. (D0 Collaboration), “Evidence for s-channel Single Top Quark Production in pp̅ collisions at √s=1.96 TeV,” Phy. Lett. B 726, 656 (2013).
9. N. Kidonakis, “Next-to-Next-to-Leading Logarithm Resummation for s-channel Single Top Quark Production,” Phys. Rev. D 81, 054028 (2010).
10. N. Kidonakis, “NNLL Threshold Resummation for Top-Pair and Single-Top Production,” arXiv:1210.7813.
11. G. Aad et al. (ATLAS Collaboration), “Evidence for the Associated Production of a W boson and a top quark in ATLAS at √s=7 TeV,” Phys. Lett. B 716, 142 (2012).
منبع:
Top Quarks Go Solo in Rare Events
درباره نويسنده:
ريچارد هاوكينگز ( Richard Hawkings ) دكتراي فيزيك ذرات تجربي از دانشگاه آكسفورد است و اكنون محقق در آزمايشگاه فيزيك ذرات سرن در نزديكي ژنو در سوئيس است. او روي آزمايش اطلس در برخورد دهنده هادروني بزرگ از اوايل دهه 1990 كار كرده است، همچنين روي آزمايش OPAL كه برخوردهاي الكترون-پوزيترون را در برخورد دهنده CERN LEP مطالعه مي‌كنند و نقش هماهنگي تحليل فيزيكي را در هر دو آزمايش بر عهده داشته است. موارد مورد علاقه‌ي وي در پژوهش، حل معماهاي كوارك سَر، برهمكنشهاي الكتروضعيف و فيزيك طعم سنگين است.
نویسنده خبر: آزاده نعمتی
آمار بازدید: ۲۸۸
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»
Server:
Iran (45.82.138.40)
